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RESUMEN En este laboratorio se analiza la propagación de ondas sonoras (ondas armónicas producidas por un diapasón) en el interior de un tubo cerrado, la forma en que estas se superponen dentro el mismo para dar lugar a un patrón de ondas estacionarias, la velocidad del sonido en el aire y el fenómeno de resonancia de dichas ondas. Para ello, primero recordemos que la velocidad de fase de cualquier onda está dada por la ecuación:

OBJETIVOS

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Determinar la velocidad del sonido bajo las condiciones del laboratorio. Estudiar la relación entre la longitud de onda y la frecuencia del sonido. Observar la resonancia de un tubo semiabierto (un extremo cerrado y el otro abierto) con una fuente de sonido Comprobar que la longitud de onda es inversamente con la frecuencia

INTRODUCCIÓN Desde el principio de la historia el hombre se a interesado en la investigación y en comprender como se comporta el mundo. Siempre nos hemos preguntado por que al caer un rayo vemos la luz primero y después escuchamos el estruendo esto es debido a que la velocidad del sonido es mucho más lenta que la de la luz y el entender cómo se mueve el sonido a través del aire es una de las claves del porqué de este fenómeno que gracias al esfuerzo y dedicación se a logrado entender con mayor claridad, pero para entender hay que medir y para medir hay que experimentar y esta es la base de todo científico. Uno de los primeros en medir el sonido fue Sir Isaac Newton quien propuso que esta dependía dela densidad y elasticidad de un fluido y experimentalmente logro medirla con un margen de error del 16%. Hoy en día se puede medir de manera muy precisa la velocidad del sonido a través del tubo de Quincke. El dispositivo consta de dos tubos en forma de U, uno fijo de diámetro interno de 1 a 3cm, y otro corredizo, cuyo diámetro interior es igual al diámetro exterior del tubo fijo. El sonido emitido por un altavoz, conectado a un generador de funciones de frecuencia variable, viaja por dos caminos diferentes: por el brazo derecho y por el brazo izquierdo. El micrófono capta la superposición de ambas ondas y su señal eléctrica generada se analiza con un osciloscopio. Así se a determinado que la velocidad del sonido En la atmósfera terrestres de 343 m/s (a20°Cde temperatura y a nivel del mar).

SONIDO Cuando se produce una perturbación periódica en el aire, se originan ondas sonoras longitudinales. Por ejemplo, si se golpea un diapasón con una baqueta de madera, las ramas vibratorias emiten ondas longitudinales. El oído, que actúa como receptor de estas ondas periódicas, las interpreta como sonido. Entonces el sonido es la vibración de un medio elástico, bien sea gaseoso, liquido o sólido. PROPAGACION DEL SONIDO El sonido es una onda mecánica longitudinal que necesita un medio físico para propagarse. El sonido no se propaga en el vacío. Para que el sonido pueda llegar a nuestros oídos necesita un espacio o medio elástico (de distinta densidad), normalmente suele ser el aire. Propiedades del aire como medio de propagación del sonido: 1. La propagación es lineal, que quiere decir que diferentes ondas sonoras (sonidos) pueden propagarse por el mismo espacio al mismo tiempo sin afectarse mutuamente. 2. Es un medio no dispersivo, por lo que las ondas se propagan a la misma velocidad independientemente de su frecuencia o amplitud. 3. Es también un medio homogéneo, de manera que el sonido se propaga esféricamente, es decir, en todas las direcciones, generando lo que se denomina un campo sonoro. RESONANCIA Si mediante una fuente sonora (un diapasón, por ejemplo) producimos una vibración de frecuencia conocida cerca del extremo abierto de un tubo (cerrado por el otro extremo), las ondas que se propagan a través de la columna de aire contenida en el tubo se reflejan en sus extremos. Si la longitud de la columna de aire se ajusta de modo que sea igual a un cuarto de la longitud de onda del tono emitido por el diapasón, la onda reflejada llegará al extremo abierto precisamente en fase con la nueva vibración del diapasón (en la reflexión en el extremo cerrado se produce un salto de fase de 180º) produciéndose una intensificación en el sonido emitido. Este fenómeno es conocido con el nombre de resonancia.

VELOCIDAD DEL SONIDO EN EL AIRE La velocidad a la cual se propaga el sonido a través de un medio depende de la elasticidad de éste. En un material altamente elástico, las fuerzas de restitución de los átomos o de las moléculas causan que una perturbación se propague con más rapidez. Así, la velocidad del sonido es mayor en sólidos que en líquidos y, en estos, superior que en los gases. La velocidad del sonido depende de la temperatura del medio. A medida que ésta aumenta se incrementa la agitación térmica molecular. Como resultado, una perturbación se propaga con mayor rapidez. Así, la velocidad del sonido en el aire aumenta con la intensificación de temperatura.

Tabla N° 1: velocidad de propagación del sonido a través sustancias conocidas, en función de la temperatura.

Velocidad del sonido en función de la frecuencia y longitud de onda:

Donde: 𝜆: longitud de onda de propagación medida en metros.  𝑓: frecuencia medida en Hertz o 𝑠 −1 .

DESCRIPCIÓN TEÓRICA August Kundt (1839-1894) fue un físico alemán que se especializó en el estudio de la luz y el sonido. En este último campo, desarrolló un ingenioso método para medir la velocidad del sonido usando el fenómeno de ondas estacionarias. Aquí se utilizará el mismo principio que Kundt pero de una forma diferente, cuando un sonido se confina en un tubo, la columna de aire dentro de dicho tubo, vibra tal como una onda estacionaria; con un nodo en el extremo cerrado y un antinodo en el extremo abierto.

Se puede lograr la resonancia (máxima amplitud de sonido), si el extremo cerrado del tubo coincide con un punto donde se forma un máximo de amplitud de onda. Es por eso que el tubo diseñado por Kundt posee un pistón variable, que sirve como extremo “cerrado”

i logramos identificar la distancia entre dos máximos consecutivos, podremos determinar la longitud de onda. Y si conocemos la frecuencia a la que se emite el sonido, en el extremo abierto, seremos capaces

de determinar la velocidad del sonido. De esto, justamente, es lo que trata la presente experiencia, en la que utilizaremos el dispositivo ideado por Kundt, llamado Tubo de Kundt.

MATERIALES USADOS     

AMPLIFICADOR DE POTENCIA CIRCUITO DE RECEPCION “MICROFONO” BOCINA GENERADOR DE FUNCIONES OSCILOSCOPIO

DESARROLLO DEL LABORATORIO 1. 2. 3. 4. 5.

Armar el circuito proporcionado en la guía del laboratorio Tener cuidado de colocar la bocina lo más cerca posible del extremo del tubo Ajuste el GF para una frecuencia de 1,4 kHz. Escuche el sonido emitido por la bocina Mueva lentamente el pistón desde el extremo más cercano de la bocina hacia el otro extremo Marcar sobre el tubo, aquellas posiciones del pistón donde se escucha un sonido muy alto (resonancia). 6. Marcar todas las posiciones posibles, donde escuche la resonancia. 7. Medir las distancias entre las marcas realizadas y promédielas. 8. El promedio (Xp) es la distancia promedio entre dos máximos consecutivos de la onda estacionaria. Y está relacionada con la longitud de onda de la siguiente manera.

9. A partir de lo anterior, determine la longitud de onda de las ondas generadas dentro del tubo. 10. Conociendo la frecuencia del sonido generado (f), calcule la velocidad del sonido (Vs), a partir de la relación

11. Comparamos el resultado obtenido .se tiene mucho cuidado con las condiciones experimentales señaladas.